3.1.3. Намагніченість речовин (j). Напруженість магнітного поля (h). Магнітна проникність (μ)

В середині будь-якої речовини існують елементарні струми й при від­сутності зовнішніх електромагнітних полів. Ми уявляємо собі ці струми як рух електронів по орбітах всередині атомів речовини й як обертання електронів навколо своїх осей.

Магнітне поле колового струму характеризується магнітним моментом, напрям якого визначається за правилом правого гвинта.

Е

Рис. 3.3. Орбітальний і спіновий магнітні моменти атома

лектрони володіють орбітальним і спіновим магнітними моментами, які мо­жуть бути спрямовані або в один, або в різні боки (рис. 3.3).

С

Рис. 3.4. Магнітний момент р₀ елементар­ного струму і₀

умарний магнітний момент одиниці об'єму речовини (з врахуванням власних і наведених моментів) називають намагніченістю J. Поняття намагніченості не має змісту для окремого атома, а стосується лише групи атомів і характеризує стан речовини, який вона набуває в результаті намагнічування. В міжнародній системі одиниць (СІ) намагніченість – це внутрішнє магнітне поле речовини, зумовлене магнітними моментами його атомів.

Намагніченість речовини можна пояснити, врахо­вуючи поняття магнітного моменту елементарного струму i₀ (рис. 3.4). Магнітним моментом елементарного струму називають добуток величини i₀ на площину S₀, що охоплюється цим струмом. Магнітний момент – век­торна величина, напрям його приймають вздовж перпендикуляра до площини S₀ і зорієнтованого зі струмом за правилом правого гвинта. Отже,

(3.6)

де – вектор, що кількісно дорівнює S₀ і скерований по ; – нормаль до площини S₀.

Виділимо всередині намагніченої речовини елементарний об'єм ∆V і для цього об'єму геометрично складемо всі , одержимо вектор – сумарний магнітний момент об'єму ∆V: . Поділивши величину на ∆V, отримаємо величину, яку називають середньою намагніченістю тіла об'ємом ∆V, a щоби найти намагніченість в даній точці поля, треба взяти границю відно­шення / ∆V при ∆V  0:

(3.7)

Отже, намагніченість речовини дорівнює геометричній сумі магнітних моментів елементарних струмів, віднесеної до одиниці об'єму речо­вини. Намагніченість вимірюється: [J] = 1 А/м.

Розглянуті вище величини магнітного поля – магнітна індукція, магнітний потік і намагніченість речовини ( ,Ф, ) залежать від величини струму, який викликав це магнітне поле, а також від середовища, в якому розгляда­ється це поле. Для зручності розрахунку магнітних полів вводиться ще одна величина, яку називають напруженістю магнітного поля ( ). Ця величина не залежить від середовища, в якому розглядається магнітне поле, а залежить тільки від величини струму, що створив це поле, та координат точки, в якій визначається .

За відсутності намагніченості середовища (J = 0 – для вакууму) співвід­ношення між В та Η встановлюється залежністю:

(3.8)

де μ₀ – магнітна стала або магнітна проникність вакууму (μ₀= 4π·10^-7 Гн/м = 125-10^-8 Гн/м), теж характеризує магнітні властивості повітря, оскільки для повітря μ_пов=4,000012·π·10^-7 Γн/м μ₀.

Для будь-якої речовини, внесеної у зовнішнє магнітне поле напруже­ністю ( ), з урахуванням намагніченості співвідношення (3.8) набере виг­ляд:

(3.9)

де k = / – магнітна сприйнятність речовини. Звідси залежність між і – така:

(3.10)

Величина (1 + k) у виразі (3.9) є відносною магнітною проникністю:

(3.11)

Тоді

(3.12)

де – абсолютна магнітна проникність даного середовища. Для ваку­уму (теж для повітря) μ_a= μ₀, а значить, k = 0.

Якщо власні магнітні моменти атомів деяких речовин дорівнюють ну­леві, то при внесенні такої речовини в зовнішнє магнітне поле, утворене, на­приклад, в повітряному середовищі, наведені індуковані моменти, напрямлені проти поля (тобто і антипаралельні) й будуть послаблювати його. Це сприймається як зменшення проникності середовища в тому місці, де знахо­диться ця речовина, тобто μ_a < μ₀ або k < 0. Такі речовини називають діамаг­нетиками (антимагнітними), вони мають μ_r дещо менше за 1, наприклад, для міді μ_r = 0,999995. До них належать мідь, срібло, золото, свинець, вуглець, вісмут, інертні гази тощо. В практичних розрахунках для них приймають μ_r = 1. У речовинах, атоми яких мають власні магнітні моменти, але за від­сутності зовнішнього магнітного поля через тепловий рух ці моменти розта­шовані безладно (рівномірно по всіх напрямках), намагніченість цих речовин = 0. Під дією зовнішнього магнітного поля напруженістю власні магнітні моменти атомів намагаються повернутися за напрямом цього поля. Виникає орієнтація власних магнітних моментів, тим більша, чим більша . Намагніченість стає більшою від нуля і зростає зі збільшенням – речовина, яка намагнічується за напрямом зовнішнього поля (вектори і паралельні. При цьому діамагнітний ефект (виникнення наведених моментів) виявляється значно слабшим, ніж збільшення за рахунок переважної орієнтації влас­них моментів, внаслідок чого підсилюється зовнішнє поле. Це сприймається як збільшення проникності в місці, де знаходиться речовина, тобто μ_а > μ₀ і k > 0. Речовини, відносна магнітна проникність яких дещо більша від одиниці (μ_r > 1), називають парамагнетиками. До них належать марганець, хром, алю­міній, платина, метан, кисень, повітря та інші (для повітря μ = 1,000003).

Залежність J = f(H) для діамагнетиків і парамагнетиків лінійна (прямі лінії 1 і 2 на рис. 3.5) і досить незначна, тому що коефіцієнт магнітної сприйнятності достатньо малий (k = 10^-4 – 10^-6).

Крім цього, характерною особливістю цих речовин є зменшення або по­стійність k і μ при зростанні температури й відсутність, як правило, магнітного гістерезису.

Д

Рис. 3.5. Залежності намагнічуваності речовини від напруженості магнітного поля для: 1 – діамагне­тиків; 2 — парамагнетиків; 3 – феромагнетиків

ругу групу речовин, для яких відносна магнітна проникність набагато більша від одиниці (μ » 1, μ_а » μ₀), називають феромагнетиками (сильно магнітними). До них належать: залізо, нікель, кобальт, гадоліній, диспрозій та сплави цих елементів. Вони мають подібні магнітні властивості. Відносна магнітна проникність може досягати десятків і сотень тисяч одиниць та знач­ною мірою залежить від напруженості поля і температури. Намагніченість J навіть при дуже малих магнітних полях буває набагато більшою від напруженості Η і швидко досягає насичення J_s, а залежність J = f(H) перестає бути лінійною (крива 3 на рис. 3.5). Зі збільшенням температури намагнічуючого взірця значення Js зменшується, тому що збільшується тепловий рух і послаблює орієнтацію власних магнітних моментів. При нагріванні вище від деякої критичної для пев­ної речовини температури (її називають точкою Кюрі) речовина втрачає феромагнітні властивості (перетворюється в парамагнетик). Одночасно змі­нюються її фізичні характеристики: теплоємність, j електропровідність тощо.

У квантовій механіці доведено, що природа феромагнетизму визнача­ється в основному спіновими магнітними моментами електронів, тому що орбітальні магнітні моменти електронів є послабленими за рахунок поля сусід­ніх атомів. Спінові моменти додаються один з одним, викликають самовільну (спонтанну) намагніченість речовини навіть за відсутності зовнішнього по­ля. Ця намагніченість є найхарактернішою ознакою феромагнетизму.

У електротехнічних розрахунках електричних машин, трансформаторів, апаратів, приладів тощо відносна магнітна проникність діамагнітних та парамагнітних матеріалів приймається такою, що дорівнює одиниці (μ = 1). Для феромагнітних матеріалів відносна магнітна проникність може досягти тисяч і десятків тисяч одиниць (10³... 10⁴) і залежить від величини магнітної індукції.